臭氧工艺在给水处理中的应用

李亚峰 李奇君

中国核电工程有限公司河北分公司，河北 石家庄 050019

臭氧工艺在给水处理中的应用

李亚峰 李奇君

中国核电工程有限公司河北分公司，河北 石家庄 050019

本文简要介绍臭氧的物理化学性质、臭氧工艺在给水处理中的作用、系统组成及臭氧工艺存在的问题。随着臭氧设备技术的不断发展和对水质要求的提高，臭氧工艺在给水处理中有广阔的应用前景。

臭氧；给水处理；臭氧工艺系统组成

随着工业和城市的迅速发展，给水水源正受到日趋严重的污染，包括农药、杀虫剂、除草剂、各种添加剂、内分泌干扰素等，而以混凝、沉淀、过滤、消毒为代表的常规给水处理工艺难以有效去除这些有机物质，因此有必要采取一些深度处理工艺来满足饮用水水质的要求。其中臭氧工艺在给水深度处理中得到了广泛的应用。

1 臭氧的物理化学性质

臭氧（O3）是氧（O2）的同素异形体。在常温常压下，它是淡蓝色的具有强烈刺激性气体，液体呈深蓝色。臭氧的标准电极电位为2.07V，仅次于氟（F2）电位2.87V，居第二位，它的氧化能力高于氯（Cl2，电位1.36V）和二氧化氯（ClO2，电位1.5V）。臭氧是一种活泼的不稳定的气体，在水中的溶解度为640ml/L（1atm，0℃）。

臭氧溶于水，会发生一系列复杂的化学变化。其反应速率和反应产物随水中化学成分的不同而变化。臭氧作为一种氧化剂，主要通过两种途径发生氧化作用：直接与溶于水的还原剂进行反应，它是有选择性的，且反应速度较慢；分解成二级氧化剂羟基（OH），再与还原剂进行反应，它是没有选择性的且反应速度很快。

臭氧对人体健康有影响，空气中臭氧浓度0.01ppm时即能嗅出，安全浓度为1ppm，空气中臭氧浓度达到1000mg/L时人即有生命危险。因此，水处理中散发出来的臭氧尾气必须处理。

2 臭氧工艺在给水处理中的作用

根据投加位置的不同，臭氧氧化的作用可以分为前（预）氧化和后（主）氧化。

前（预）氧化一般设置在混凝沉淀（澄清）之前，主要作用有：去除嗅和味、色度、重金属(铁、锰等)；使水中胶体微粒脱稳，改善絮凝效果，减少混凝剂的投加量；去除藻类和减少三氯甲烷等三致物质的前驱物（减少水中三致物质的含量）。

后（主）氧化一般设置在过滤之前或之后，主要作用有：氧化有机物，如杀虫剂、清洁剂、苯酚等；去除DOC（溶解有机物）、氨氮(NH3－N＜2 mg/L)；氧化分解螯合物；提高有机物可生化性并增加水中的溶解氧，利于后续生物药用炭单元的生物降解作用；杀死细菌和病毒，减少Cl2等消毒剂的投加量。

3 臭氧工艺系统的组成

给水处理中的臭氧工艺系统一般包括：气源制备、臭氧发生装置、臭氧气体输送管道、臭氧接触氧化系统以及臭氧尾气消除装置等。

3.1 气源制备

气源主要由以下三种形式可供选择：①干燥空气；②VPSA（真空变压吸附技术）现场制氧系统制成高纯度氧气；③液态氧经气化而成的高纯度氧气。

干燥空气制臭氧：设备投资高，臭氧浓度一般在3%～4%，耗电量为23～25（kW· h）/kgO3。

气态氧制臭氧：设备投资比空气制臭氧低，但比液态氧制臭氧要高，臭氧发生浓度可达到18%甚至更高，耗电量为11～14（kW· h）/kgO3。气态氧一般是现场制取，氧气纯度为90%～93%，能耗为0.3～0.4（kW·h）/ kgO2。

液态氧制臭氧：设备投资低，臭氧发生浓度可达18%甚至更高，耗电量为10～13（kW· h）/kgO3。因为液态氧一般需外购，故臭氧发生总成本随着液态氧价格的变化而变化。

对于不同的地区，究竟采用何种气源应根据当地的电价和氧气价格经成本分析后再确定。

3.2 臭氧发生装置

目前大规模的臭氧发生装置基本采用电晕放电法制造臭氧，电晕放电法就是一种干燥的含氧气体流过电晕放电区产生臭氧的方法。臭氧的产量和电压、频率、臭氧发生装置的设计以及气源的种类与质量有关。

臭氧发生过程中消耗的能量仅有22%用于合成臭氧，其余均转化为热量而使气体温度升高，这将导致臭氧产量降低。因此，臭氧发生装置应配备完善的冷却系统，主要有直接冷却和间接冷却两种技术措施。

3.3 臭氧输送管道

臭氧具有强腐蚀性，因此对管道材质要求严格。干燥环境下，臭氧管道采用304或316L不锈钢管或同等级的其他产品，湿润环境下臭氧气体管道采用316L不锈钢管或同等级的其他产品，法兰片材质与连接管道相同，法兰垫片为聚四氟乙烯（PTFE）材料或同等级的其他产品。

3.4 臭氧接触系统

3.4.1 前（预）臭氧接触氧化系统

该阶段的臭氧投加量一般为0.5～1.5mg/ L，反应时间为≥4min，水中的臭氧余值一般为零或很少。

每个前（预）臭氧接触池进口处设1个投加点，由于被处理水一般为原水，为防止臭氧扩散装置被杂质堵塞，可采用静态混合器或射流扩散器。静态混合器的水头损失较大，因此适用于原水水头有富余的场合；射流扩散器不消耗原水水头，但需增加部分动力设备来提升少量的原水（1.2～1.6m3/kgO3）与臭氧混合，以提高臭氧的转移效率。

3.4.2 后（主）臭氧接触氧化系统

由于该阶段被处理水较清洁，因此扩散装置一般均采用微孔布气帽（盘），臭氧转移效率高。后（主）臭氧接触氧化的反应时间≥10min，臭氧投量为1.5～2.5mg/L，水中臭氧余值一般为0.2～0.4mg/L。

后（主）臭氧接触氧化系统在每个接触池一般设2～3个投加点。当采用2点投加时，每个点的臭氧投加比例沿水流方向依次为总投加量的80%～50%、20%～50%，每个投加点的臭氧接触时间分别为总时间的50%。当采用3点投加时，各点的臭氧投加比例沿水流方向依次为总投加量的80%～40%、10%～30%、10%～30%，3个投加点的臭氧接触时间依次为总时间的3 0%、30%、40%。

3.4.3 臭氧接触池

为了防止臭氧接触池中少量未溶于水的臭氧逸出后进入环境空气而造成危害，臭氧接触池必须采取全封闭的构造。

随着臭氧加注量和处理水量的变化，注入接触池的气量及产生的尾气也将发生变化。当出现尾气消除装置的抽气量与实际产生的尾气量不一致时，将在接触池内形成一定的附加正压或负压，从而可能对结构产生危害和影响接触池的水力负荷，因此，必须在池顶设自动气压释放阀，用于在产生附加正压时自动排气和产生附加负压时自动进气。

接触池的有效水深一般为6.0m，超高≥0.75m。为使臭氧能最大限度地溶于水中，接触池水流一般采用竖向流形式。

3.5 臭氧尾气破坏系统

由于受水质与扩散装置的影响，进入接触池的臭氧很难100%地被吸收，因此必须对接触池排出的尾气进行处理，以保证臭氧浓度＜（0.05～0.1）mg/L。

常用的尾气处理方法有：高温加热法和催化剂法。

高温加热法：将臭氧加热到350℃后在1.5～2s内便可使其100%分解。该法安全可靠、维护简单，并可回收热能，但增加了设备投资和运行能耗。

催化剂法：利用催化剂对臭氧尾气进行分解破坏。目前，使用的催化剂是以MnO2为基质的填料。该法的设备投资和运行能耗均比高温加热法低，但处理效果受水质、环境质量、尾气的含水率、催化剂的使用年限等因素影响，安全及稳定性比高温加热法差，且催化剂需要定期更换。

为保证安全生产，应使臭氧尾气破坏系统的设备备用率≥30%。

3.6 投加控制系统

臭氧系统的控制就是使臭氧的需求量等于臭氧的供给量。

前（预）臭氧投加控制：设定臭氧投加率，根据水量采用PLC自动控制臭氧发生器的产量。

后（主）臭氧投加控制：设定臭氧投加率，根据水量与水中臭氧余值采用PLC自动控制臭氧发生器的产量。处理水量是前馈条件，臭氧余值是后馈条件，用于对臭氧投加率进行修正。

臭氧发生量的控制一般有三种方式：恒臭氧浓度、变臭氧气体流量，一般用于以液态氧为气源的系统；恒臭氧气体流量、变臭氧浓度，一般用于小规模的以气态氧（自购现场制氧设备）作为气源的系统；变臭氧气体流量、变臭氧浓度，一般用于大规模的处理系统。

4 臭氧工艺存在的问题

由于臭氧在水中很不稳定，易分解，故经臭氧消毒后，不能保证管网中始终存在臭氧量。为了维持管网中消毒剂余量，通常在臭氧消毒后的水中再投加少量氯或氯胺。

臭氧消毒虽然不产生THM（三卤甲烷）等有害物质，但在某些特定的条件下可能产生有毒有害副产物，例如，当水中含有溴化物时，经臭氧化后，将会产生有潜在致癌作用的溴酸盐；臭氧可能与腐殖质等天然有机物反应，生成具有“三致”作用的物质，如甲醛等。另外，臭氧氧化会造成水中AOC（可生化有机碳）浓度的升高，引起配水管网中结污垢。因此，通常把臭氧与粒状药用炭（GAC）滤池联用，一方面可避免上述副产物产生，同时也改善了活性炭吸附条件。

5 臭氧工艺的前景

臭氧技术的发展已有一百多年的历史，由于臭氧生产设备较复杂，投资较大，电耗也较高，一定程度上制约着臭氧工艺的发展。随着臭氧发生设备在技术上的不断改进，现在设备投资及生产臭氧的电耗均有所降低，加之人们对饮用水水质要求提高，臭氧工艺在我国给水处理中的应用将逐渐增多起来。

[1] 严煦世,范瑾初.给水工程(第四版)[M].北京:中国建筑工业出版社.1999

[2] 高乃云,严敏,乐林生.饮用水强化处理技术[M].北京:化学工业出版社.2005

[3] 林浩添.给水厂大型臭氧设备安装工程简介[J].给水排水.2006,32(1),92-94

[4] 中华人民共和国国家标准.室外给水设计规范.GB 50013-2006

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.012